特種工裝用聚苯硫醚樹(shù)脂長(zhǎng)絲的制備與性能研究

聚苯硫醚纖維（pps）是我國(guó)“十二五”計(jì)劃中工業(yè)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的有效纖維之一。PPS纖維可作為阻燃材料,用于消防服、交通運(yùn)輸工具的內(nèi)裝飾材料,對(duì)于PPS長(zhǎng)絲用作特殊工裝的研究目前國(guó)內(nèi)仍為空白。我院采用日本寶理株式會(huì)社生產(chǎn)的纖維級(jí)PPS切片,在LHFj030型紡絲-牽伸機(jī)上初步進(jìn)行了1000m/min紡速下PPS長(zhǎng)絲纖維的研制及性能研究。經(jīng)干熱與沸水方式處理,進(jìn)行纖維收縮率及斷裂強(qiáng)度的測(cè)試,并通過(guò)數(shù)據(jù)處理,獲得不同溫度、不同加熱形式下PPS纖維收縮率及斷裂強(qiáng)度的變化規(guī)律,為今后實(shí)驗(yàn)提供思路。通過(guò)該研究,將取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和可推廣的PPS制備技術(shù)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、品質(zhì)優(yōu)良的PPS長(zhǎng)絲,為打破美、日等長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖和進(jìn)口壁壘,及國(guó)內(nèi)對(duì)PPS長(zhǎng)絲的需求作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。1實(shí)驗(yàn)1.1pps長(zhǎng)絲的制備采用日本寶理株式會(huì)社的PPS樹(shù)脂切片,在105℃的真空干燥器內(nèi)處理14h,獲得含水小于0.5%的干燥切片,然后采用我校的LHFj030型紡絲-牽伸機(jī),在紡絲溫度310～330℃、紡絲速度1000m/min、拉伸倍數(shù)3.0、拉伸溫度105～120℃下制得PPS長(zhǎng)絲。1.2號(hào)氣調(diào)濕機(jī)LHFj030型紡絲-牽伸機(jī);YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī);手動(dòng)立式量尺;101-2A型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱;Y(B)802N八籃恒溫烘箱;YG(B)021H型化纖長(zhǎng)絲電子強(qiáng)力機(jī);實(shí)驗(yàn)用電爐與加熱鍋。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1樣品制備將紡成的PPS長(zhǎng)絲在YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)上進(jìn)行取樣,試樣按規(guī)定均取10m。1.3.2干熱收縮率的測(cè)定1.3.3計(jì)算的河水收縮率1.3.4纖度和長(zhǎng)度(1)測(cè)定條件溫度:24℃;濕度:60%;纖度:500dtex;絲框周長(zhǎng):1m。(2)對(duì)上述經(jīng)過(guò)不同熱處理?xiàng)l件的PPS纖維,用化纖長(zhǎng)絲電子強(qiáng)力機(jī)進(jìn)行斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試。1.4計(jì)算1.4.1熱收縮率測(cè)試收縮率計(jì)算公式:S=(L0-LS)/L0×100%(1)式中:S—熱收縮率(沸水收縮率或干熱收縮率),%;L0—試樣的熱處理前長(zhǎng)度,mm;LS—試樣的熱處理后長(zhǎng)度,mm。1.4.2斷裂伸長(zhǎng)值的測(cè)定斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算公式:εi=Δli/lo(2)ε=∑i=1nεin(3)ε=∑i=1nεin(3)式中:εi—每根試樣的斷裂伸長(zhǎng)率,%;Δli—每根試樣的斷裂伸長(zhǎng)值,mm;lo—試樣的夾持長(zhǎng)度,mm;ε—試樣的平均斷裂伸長(zhǎng)率,%;n—試驗(yàn)的次數(shù)。2結(jié)果與討論2.1干燥劑對(duì)pps纖維收縮率的影響2.1.1熱性能及尺寸穩(wěn)定性一般固體材料,隨著溫度的升高,將發(fā)生輕微的膨脹,即長(zhǎng)度或體積有所增加。合成纖維則不然,受熱后發(fā)生收縮。因合成纖維在紡絲成形過(guò)程中為了獲得良好的物理機(jī)械性能,承受到拉伸作用,使纖維伸長(zhǎng)幾倍,在此過(guò)程纖維中殘留一定的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)纖維所處的條件溫度低于玻璃化溫度時(shí)分子間分子鏈段運(yùn)動(dòng)速度緩慢,其內(nèi)應(yīng)力消除量也相應(yīng)較小,因受玻璃態(tài)的約束,使纖維長(zhǎng)度為常數(shù)。當(dāng)纖維所處的條件溫度超過(guò)玻璃化溫度時(shí),大分子中的鏈段運(yùn)動(dòng)使其內(nèi)應(yīng)力減小,纖維長(zhǎng)度產(chǎn)生收縮。而纖維織物在使用過(guò)程中,消費(fèi)者希望其收縮率越小越好,以獲得較好的尺寸穩(wěn)定性。如圖1所示:熱處理溫度在175～185℃期間,隨著溫度的增加,PPS纖維的干熱收縮率較小,增加幅度為4%,其原因是在溫度范圍小于185℃時(shí),在此期間,主要表現(xiàn)為大分子的鏈段運(yùn)動(dòng)速度緩慢,其內(nèi)應(yīng)力消除量也相應(yīng)較小,故纖維收縮率較小。而在185～190℃期間,隨著溫度的提高纖維的收縮率大幅度增加,幅度達(dá)14%。這是因?yàn)榉磻?yīng)條件超過(guò)玻璃化溫度時(shí),隨著溫度的提高大分子鏈段運(yùn)動(dòng)速度加快,從而使大分子間的內(nèi)應(yīng)力松弛加大,分子間的結(jié)合能削弱,釋放拉伸內(nèi)應(yīng)力,使纖維的收縮率急劇增加。同時(shí)PPS長(zhǎng)絲在制備過(guò)程中,牽伸比較小(DR=3),在外力作用下,纖維大分子沿纖維軸的取向程度較小,大分子間的作用力即范德華力、氫鍵、共價(jià)鍵能量較少,對(duì)大分子間的束縛力較小;再則,由于纖維的取向度偏低,使纖維的規(guī)整性較差,結(jié)晶度偏低,纖維大分子間的“束縛點(diǎn)”減少。所以幾種因素的疊加導(dǎo)致在185～190℃期間,隨著溫度的提高纖維的收縮率大幅度增加。故在今后的實(shí)驗(yàn)中,可提高牽伸倍數(shù),提高纖維的結(jié)晶度和取向度,以致提高纖維的熱穩(wěn)定性。2.1.2熱處理溫度對(duì)纖維熱行為的影響當(dāng)熱處理溫度為185℃時(shí),改變熱處理時(shí)間,觀察PPS纖維干熱收縮率的變化規(guī)律。由圖2所示:熱處理在15～30min期間,收縮速率逐漸升高達(dá)1.7%,這是因?yàn)樵谝欢ǜ蔁崽幚頊囟认?纖維大分子的熱運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的增加運(yùn)動(dòng)速率加快,纖維中大分子間的內(nèi)應(yīng)力逐漸松弛,纖維的收縮率隨之增加。而熱處理時(shí)間超過(guò)30min達(dá)60min時(shí),收縮速率的幅度增加僅為1%,這是因?yàn)殡S著熱處理時(shí)間的繼續(xù)增加,纖維中微晶粒的形成可充當(dāng)物理交聯(lián)點(diǎn)的作用,束縛非晶區(qū)大分子的運(yùn)動(dòng),阻止纖維收縮,從而促進(jìn)收縮速率下降。時(shí)間的增長(zhǎng)不可能改變其物理交聯(lián)點(diǎn),因此,熱收縮率在一定的時(shí)間內(nèi)變化超過(guò)一定時(shí)間,呈常數(shù)。2.2干燥劑對(duì)pps纖維斷裂強(qiáng)度的影響2.2.1pps纖維的斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度是指每tex粗細(xì)的纖維被拉斷時(shí)所能承受的最大拉力,是通常用來(lái)表征纖維品質(zhì)的主要指標(biāo)之一,在很多情況下,提高纖維的斷裂強(qiáng)度可以直接改善紡織品的力學(xué)性質(zhì)。通常,用于特殊工裝的纖維均希望其斷裂強(qiáng)度隨外界條件的變化值越小越好。PPS纖維的斷裂強(qiáng)度取決于纖維大分子的分子質(zhì)量(平均分子質(zhì)量),分子質(zhì)量越高,斷裂強(qiáng)度越高,反之則越小;還取決于纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性,即纖維的取向度和結(jié)晶度的大小,取向度和結(jié)晶度越大,纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性越好,斷裂強(qiáng)度也越高,反之則越小。如圖3所示:隨著熱處理溫度的升高,PPS纖維的斷裂強(qiáng)度基本沒(méi)有變化。這是因?yàn)镻PS分子鏈?zhǔn)怯杀江h(huán)經(jīng)對(duì)位硫原子交替連接構(gòu)成,分子結(jié)構(gòu)中含有剛性,耐熱性的亞苯基及柔性、耐熱性的硫醚鍵,且苯環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)由柔性的硫醚鍵連接起來(lái),有優(yōu)良的耐熱性和熱穩(wěn)定性,在175～190℃期間,PPS纖維大分子中的硫不足以與氧結(jié)合,因此其分子質(zhì)量不發(fā)生變化,而且PPS纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性也基本不發(fā)生變化,故其斷裂強(qiáng)度基本保持不變。2.2.2pps纖維的熱性能熱由圖4可以看出,在干熱處理溫度為185℃時(shí),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),PPS纖維的斷裂強(qiáng)度基本上不發(fā)生變化。這是因?yàn)?在該溫度下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)PPS纖維大分子中的硫與氧不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),故其分子質(zhì)量不發(fā)生變化;再則,在干熱處理溫度為185℃時(shí),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),PPS纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生變化。以致,在該溫度下,PPS纖維的斷裂強(qiáng)度不受時(shí)間的影響,強(qiáng)度損失幾乎為零?？梢?jiàn),溫度對(duì)PPS纖維的斷裂強(qiáng)度起主導(dǎo)作用,時(shí)間對(duì)其基本沒(méi)有影響,因此,PPS纖維在一定溫度下可長(zhǎng)期使用。2.3紡絲溫度及拉伸個(gè)數(shù)對(duì)pps纖維排水劑的性能影響由圖5可以看出,PPS纖維經(jīng)沸水處理后,隨熱處理時(shí)間的延長(zhǎng),其收縮率基本上沒(méi)有變化。這是因?yàn)镻PS纖維的紡絲溫度及拉伸倍數(shù)對(duì)其結(jié)晶度與取向度都會(huì)產(chǎn)生較大的影響,較大的拉伸倍數(shù)會(huì)導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)較松散,在沒(méi)有外力作用下,PPS纖維通過(guò)沸水處理,水分子易滲透到PPS纖維結(jié)構(gòu)中,使纖維發(fā)生溶脹,直徑增大,長(zhǎng)度減小,即收縮率增加。而這種收縮在短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到一個(gè)飽和狀態(tài),因此,隨熱處理時(shí)間的延長(zhǎng),其收縮率基本上沒(méi)有變化。2.4pps纖維吸濕排汗機(jī)理由圖6可以看出,PPS纖維經(jīng)沸水處理后,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),其斷裂強(qiáng)度基本保持不變。這是因?yàn)镻PS纖維大分子結(jié)構(gòu)中不含有吸濕基團(tuán),在一定的溫度下水煮數(shù)分鐘PPS纖維其分子質(zhì)量和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性均不會(huì)發(fā)生變化。僅僅是水分子的滲透使纖維產(chǎn)生溶脹。故它的斷裂強(qiáng)度基本不變,我們所看到的微小變化僅僅是實(shí)驗(yàn)誤差。3熱處理對(duì)pps纖維長(zhǎng)度的測(cè)量(1)PPS纖維在175～185℃時(shí),干熱收縮率為2%～6%,185～190℃期間,隨著溫度的升高,干熱收縮率急劇增加,幅度達(dá)10%。經(jīng)沸水處理,PPS纖維的收縮率無(wú)明顯變化。(2)PPS纖維經(jīng)干熱和沸水處理后,其斷裂強(qiáng)度基本上沒(méi)有變化。(3)在今后的紡絲實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,要通過(guò)提高紡絲牽伸和牽伸溫度比,從而提高其取向度和結(jié)晶度,來(lái)制備收縮率小和斷裂強(qiáng)度高的PPS纖維,以便較好滿足特殊工裝用紡織品的要求。本文通過(guò)討論了不同熱處理?xiàng)l件下纖維收縮率及斷裂強(qiáng)度的變化,研究PPS纖維的受熱行為變化,可以在材料設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中充分合理地發(fā)揮其作用。同時(shí),也為我校進(jìn)一步完善PPS紡絲技術(shù)提供了理論依據(jù)。(1)將制備好的試樣在0.5cN/dtex的預(yù)加張力負(fù)荷下先用立式量尺測(cè)量其熱處理前纖維的長(zhǎng)度L0。(2)分別選定175℃、180℃、185℃、190℃,將PPS試樣以松弛狀態(tài)放置于電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱15min,取出樣品后,在同樣的預(yù)加張力負(fù)荷下,用立式量尺測(cè)量熱處理后纖維的長(zhǎng)度LS。(3